浅谈某水利枢纽工程发电引水洞的设计

王作华

【摘要】根据某水利枢纽工程的规模和特点、结合地形地质条件进行发电引水洞的设计，使其布置结构安全、合理、经济，满足运行要求。

【关键词】发电引水洞；设计

1. 工程概况

某水利枢纽工程等别为Ⅰ等工程，工程规模为大（1）型。其主要建筑物大坝、1#、2#副坝、泄水建筑物为1级建筑物；发电引水系统、厂房及次要建筑物为3级建筑物，发电洞进水口闸井按1级建筑物设计；临时建筑物为4级。

发电引水洞及电站地面厂房布置于右岸。电站采用一洞四机供水方式，发电引用流量为207.28 m3/s。进口闸井与碾压混凝土坝结合布置，闸井后直接接高压钢管。发电引水系统由进口引渠段、闸井段、斜井段、下平洞段和岔管段组成。

2. 发电引水洞洞线的布置比选

2.1发电引水洞的布置原则：

2.1.1进口闸井结合坝体布置。

发电洞进水口闸井与右岸台地上坝体结合，闸井后部紧靠坝体上游面，对闸井整体稳定有利。右岸台地上靠近河床坝段的坝体建基面高程677m，坝高约65m，发电洞进水口底板高程665m，由于闸井渐变段后直接接斜井，所以通过适当长度的过渡明洞即可在坝下进洞，并保证坝体建基面以下的洞脸厚度满足进洞要求，即洞脸厚度为1～2倍的洞径。

2.1.2洞线布置。

经坝址区地表测绘、钻孔及探坑取岩块进行岩相法和“X”衍射法测定资料结果分析表明，坝址区地表基岩面埋深60m以内，节理裂隙表面普遍存在有不同程度黄铁矿氧化物，特别是地表基岩面埋深35m以内节理裂隙面黄铁矿氧化物相对较为集中。

所以，发电洞洞室结构混凝土等除采取防渗及抗硫酸盐侵蚀等处理措施外，洞室布置应尽量减少黄铁矿的氧化物的不利影响。初步设计阶段发电洞轴线向山内移，洞身岩石埋深及旁山厚度可适当增加，同时对抗侵蚀处理有利。

2.1.3电站厂区布置。

水电站厂址布置于坝下游460m处的冲沟沟口处，此处地形较为开阔，便于主、副厂房的布置。高压管道出口轴线与沟边坡交角较大，便于出洞。发电洞最大洞长约450m，满足水机调保的要求，且厂房及尾水距离坝下游的泄洪冲坑约200m～300m，可较好地避免厂区的雾化及泄洪水流波动对尾水的不利影响。厂区布置要与发电洞洞线、岔管形式及主、副厂房布置形式相协调，并结合相应的地形、地质条件进行。

2.2发电洞布置方案比选。

发电洞及电站厂房各方案根据地形、地质条件及运行条件拟定了三个方案。

方案一：发电洞进口闸井布置于右岸台地坝段，与坝体结合。洞线靠岸里布置，最大洞长466m，出口岔管采用“Y”形月牙肋岔管。电站厂房布置在右岸岸边，主厂房大致垂直河道布置。

方案二：洞线靠岸外布置，较方案一洞线前部外移30m。最大洞长453m。其它同方案一。

方案三：出口岔管采用“卜”形月牙肋岔管。最大洞长472m。电站厂房布置在右岸岸边，主厂房大致平行河道布置。其它同方案一。

综合分析，方案一的进口闸井与坝体结合整体稳定性好。洞身上覆岩体厚度较大（40m～60m），降低了抗侵蚀处理难度。岔管为明管，施工方便。电站运行、维护管理方便，基本不受泄洪雨雾的影响。厂房尾水出流顺畅。受泄洪波动影响小。通过比选发电洞及电站厂房布置推荐方案一。

3. 引水洞洞径选择

3.1引水系统布置及特点。

水电站采用一洞四机的引水布置形式。总装机容量4×35MW，最大引用流量4×51.82m3/s。最大洞长约为466m（进口闸井后沿洞轴线至主厂房上游侧），主压力钢管内径7.6m；钢岔管之后支管内径3.4m。

该水库水位：校核洪水位743.61m；设计洪水位741.68m；正常蓄水位739.00m；死水位680.00m。下游厂房尾水位：最高尾水位650.24m；正常尾水位645.10m；最低尾水位640.48m。

本工程的主要特点：（1）水头变幅太大，额定水头79.5m，最大水头96.0m，最小水头32.0m，比值为1.23～0.44，超过了国内所有电站。该特点将会对水电站过渡过程等有所影响。（2）电站在地区电网中比重很大，自身调节系统稳定性不仅影响该电站的调节品质，而且影响整个电网的供电质量。

3.2调保要求。

3.2.1根据所推荐的发电洞洞线布置方案，拟定各种洞径的方案进行比选，根据经验公式计算本阶段拟定洞径：主管段洞径为6.0m～8.0m，支管段管径均为3.4m。

调保参数要求：

（1）蜗壳末端最大动水压力：135m。

（2）机组最高转速上升率：50%。

（3）尾水管进口最大真空度：8m。

3.2.2根据《水力发电厂机电设计规范》（DL/T5186-2004）的规定，机组甩负荷时的最大转速上升率保证值，按以下不同情况选取：

当机组容量占电力系统工作总容量的比重较大，或担负调频任务时，宜小于50%。

当机组容量占系统工作总容量的比重不大，或不担负调频时，宜小于60%。

3.3洞径确定。

根据武汉大学《某水电站水力过渡过程研究》报告，通过大波动、小波动及水力干扰过渡过程的计算与分析，结论如下：

（1）经计算得惯性时间常数Tw=3.21s，根据规范，当Tw<2s～4s时，通过数值计算分析验证，可不设调压室。

（2）由大波动过渡过程计算可知，采用折线关闭规律能够满足调保参数的要求。机组蜗壳最大动水压力为134.47m，小于135m。尾水管最小压力值为-3.02m，大于-8m。转速最大上升率为49.39%小于50%。通过对引水洞的直径进行敏感性分析，隧洞的直径7.6m是合理可行的，不宜再减小。

（3）由小波动过渡过程计算结果可知，机组转速进入±0.4%带宽的最大调节时间为56.0s，发生在最小水头，4台机满负荷，同时甩10%额定出力的工况，且机组在空载附近的稳定性很好，在不设调压室的情况下，小波动过渡过程是满足要求的。

（4）水力干扰工况比较多，一般情况下都能满足要求，不会造成运行机组甩负荷，但是工况为额定水头，一台机组甩负荷，一台机组增负荷时比较危险，要尽量避免。正常运行机组调速器参与调节可减少水力干扰。

4. 发电洞进水口选择

（1）该水利枢纽工程调节库容19.18亿m3，坝前水深约90m。水库蓄水后，深层水较原河道水温有较大的变化，为了减缓水库蓄水后水温分层对下游水生生态可能产生的不利影响，需在经常过水的建筑物发电引水洞进口设置分层引水口。在不同的库水位时，分层进水口尽量引取水库表层水，以提高下游河道水温，满足水库下游生态的要求。

（2）该水库正常蓄水位739.00m，死水位680.00m。根据库水温分布情况，结合水库运行，拟定发电洞进口采用进水口分层取水方案和叠梁门分层取水方案。

（3）生态保护要求发电洞进口尽可能引取坝前水库表层水发电，使坝下游河道水温接近原河道水温，基本满足水生物生存环境条件。根据水库的运行调度情况，发电洞进口分层取水方案和叠梁门分层取水方案均能满足下游水生物对下泄水温的要求。原进水口方案无法满足这一要求。

（4）进口分层取水方案闸井结构布置形式与原闸井一致，结构受力条件好。叠梁门分层取水方案闸井前部的竖井高度80m，断面较大，b×h=22m×8.2m。前部水平“U”形结构复杂。进口分层取水方案闸井结构抗震性能较好。

（5）运行方面，进口分层取水方案除拦污栅的清污机公用外，各进水口均设置有各自的一套拦污栅和事故门，发电运行操作较方便。叠梁门方案随着库水位变化需启闭操作，运行不灵活。夏季漂浮物较多时影响叠梁门的启闭。水库地处严寒地区，冬季叠梁门前后及外围均存在井体结构大范围防冰冻问题，冬季叠梁门的启闭也较困难。

（6）通过上述生态、运行及结构方面的比较，推荐采用发电洞进口分层取水方案，即上、中、下三层进水口引水。

5. 发电引水洞结构布置

发电引水洞及电站地面厂房布置于右岸。电站采用一洞四机供水方式。进口闸井与碾压混凝土坝结合布置，闸井后直接接高压钢管。发电引用流量为207.28m3/s，机组安装高程636.30m。

发电引水系统由进口引渠段、闸井段、斜井段、下平洞段和岔管段组成。最大洞长约466m（沿洞轴线至主厂房上游）。斜井段及下平洞段洞径D=7.6m。出口采用“Y”形、“卜”形月牙肋岔管，支管直径D=3.4m。

5.1进口引水渠。

发电洞进口引水渠布置于进口闸井前的台地上，采用C20素混凝土衬砌，厚度为0.5m。引渠边坡采用C30混凝土喷锚支护。

5.2进水口。

发电洞进口布置于右岸台地上大坝0+767.000m桩号处，进口闸井与坝体结合为一体。

闸井段由拦污栅段、事故门井段和竖井段组成。闸井总长度45.5m。闸井顶高程与坝顶同高为745.5m。各进水口最大引水流量均为207.82m3/s。

进水口闸井采取上、中、下三层引水，上、中、下层进水口上下垂直布置，上层进水口底板高程为715.00m，中层进水口底板高程为690.00m，下层进水口底板高程为665m。各进水口后接竖井，水流由竖井底部进入发电洞。

5.3发电洞洞身。

发电洞由渐变段、斜井段及下平洞段组成。

（1）闸井后渐变段长度15m，断面由b×h=7m×8m的长方形断面渐变为内径为7.6m的圆形断面。

（2）由于渐变段及斜井上弯段顶部为碾压混凝土坝（坝基础高程677m），洞顶部岩层覆盖厚度不具備成洞条件，因此渐变段及斜井上弯段采用明洞。渐变段及斜井上弯段顶部回填C20混凝土至碾压混凝土坝底部。

（3）压力钢管起衬点位置主要根据“上抬理论”准则、“水力劈裂”准则和地质条件等综合确定。考虑到发电洞上覆岩体厚度较薄，从安全角度出发，发电洞从发电洞进水口后直接压力管道。压力管道全长413.488m，斜井段长60.571m，纵坡i=1：1，下平洞段长度332.433m，纵坡i=1/200，断面中心点高程637.962m～636.300m（水轮机安装高程）。

（4）斜井段及下平洞段洞室围岩均进行固结灌浆、回填灌浆处理，回填灌浆范围顶拱120°范围内。

5.4出口岔管及支管。

主管出洞后通过1#岔管一分为二，再通过两个2#岔管分为四个支管。1#岔管采用“Y”形月牙肋岔管，2#岔管采用“卜”形月牙肋岔管，主管内径7.6m，支管内径3.4m。

主管、岔管及支管均采用C25钢筋混凝土衬砌，外包混凝土厚度分别为1.0m、1.5m及0.7m。出口岔管、支管段外包混凝土上部至发电机层高程651.600m，均回填石碴。以做为厂区其他设施布置及交通使用。

6. 结语

综上所述，根据本工程的特点，结合地形、地质条件布置了发电引水洞，进水口采用分层取水的方式解决了下游水生物对下泄水温的要求；洞身段采用压力钢管衬砌解决了上覆岩体不够的特点；出口采用月牙肋岔管将主管一分为四个支管与厂房连接；结构布置安全、合理、经济，满足运行要求。